Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ПОДВОДНЫЙ ОБЪЕКТ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для бесконтактной передачи на подводный объект электрической энергии, которая, в частности, применяется для зарядки электрической аккумуляторной батареи, установленной на этом подводном объекте.

Известно устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект (Патент RU 2401496, МПК H02J 7/00, «Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта», авторы Кувшинов Г.Е., Копылов В.В., Филоженко А.Ю., Наумов Л.А., дата приоритета 25.06.2009, опуб. 10.10.2010. Бюл. №28).

Известное устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект состоит из опускаемого под воду блока инвертора и размещенного на подводном объекте блока выпрямителя. В блок инвертора входит однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором. К входным зажимам инвертора подключены входной конденсатор и концы кабеля, соединяющего указанный инвертор с управляемым источником постоянного тока. Выходные зажимы упомянутого инвертора подключены к первичной обмотке трансформатора повышенной частоты, передающего электроэнергию переменного тока во вторичную обмотку этого трансформатора, размещенную вместе с однофазным мостовым неуправляемым выпрямителем тока и сглаживающим реактором в блоке выпрямителя. Эта вторичная обмотка подключена к входным зажимам упомянутого выпрямителя. Блоки инвертора и выпрямителя снабжены выполненными из изоляционного материала стыковочными стенками, контактные поверхности которых при передаче электрической энергии на подводный объект плотно стыкуются одна к другой. Ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают в блоке инвертора торец первичной обмотки трансформатора повышенной частоты и в блоке выпрямителя торец вторичной обмотки этого трансформатора.

Указанные стыковочные стенки расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось.

Недостатки устройства обусловлены тем, что из-за отсутствия магнитного сердечника трансформатор имеет низкий коэффициент магнитной связи между первичной и вторичной обмотками, что приводит к необходимости создавать повышенный ток намагничивания в первичной обмотке для осуществления бесконтактной передачи заданного значения электрической мощности. Это вызывает добавочные потери в трансформаторе, повышенный нагрев первичной обмотки и необходимость ограничения передаваемой электрической мощности из условия допустимого нагрева провода обмотки, что приводит к уменьшению зарядного тока аккумулятора и, как следствие, увеличению времени зарядки аккумулятора. Из-за размещения первичной обмотки трансформатора в блоке инвертора затруднена передача тепла от провода обмотки в окружающую среду. Это также приводит к необходимости ограничения передаваемой электрической мощности и соответствует увеличению времени зарядки аккумулятора.

Известно устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству [Патент RU 2502170, МПК H02J 3/18, «Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект (варианты)», авторы Кувшинов Т.Е., Копылов В.В., Герасимов В.А., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю., Чепурин П.И., дата приоритета 03.05.2012, опуб. 20.12.2013. Бюл. №35 (прототип - второй вариант)].

Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии состоит из опускаемого на глубину погружения подводного объекта блока инвертора и расположенного на подводном объекте блока выпрямителя. В блок инвертора помещен однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором. Входные зажимы инвертора, к которым подключен входной конденсатор, через кабель соединены с выходными зажимами управляемого источника напряжения. Выходные зажимы инвертора подключены к зажимам первичной обмотки трансформатора повышенной частоты. Первичная обмотка трансформатора снабжена магнитным экраном, выполняющим вместе с магнитным экраном вторичной обмотки трансформатора функцию магнитопровода этого трансформатора. Каждый магнитный экран состоит из чашечного сердечника и соосного с ним цилиндрического стержня, помещенного внутрь чашечного сердечника. Вторичная обмотка трансформатора, а также однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель, сглаживающий реактор и выходной конденсатор размещены в блоке выпрямителя. Обмотки трансформатора имеют максимальную магнитную связь, когда оси обмоток совпадают, а торцы обмоток находятся на минимальном расстоянии друг от друга. Выходные зажимы вторичной обмотки подключены к входным зажимам выпрямителя. Один из выходных зажимов выпрямителя подключен к первому из выходных зажимов устройства через сглаживающий реактор. Второй выходной зажим выпрямителя подключен ко второму из выходных зажимов устройства непосредственно. Выходные зажимы устройства соединены с аккумулятором подводного объекта.

Применение у прототипа трансформатора повышенной частоты с магнитопроводом приводит к увеличению магнитной связи между обмотками, что повышает эффективность бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект. Вместе с тем в процессе передачи электроэнергии между первичной и вторичной обмотками трансформатора остается некоторый конструктивный зазор, определяемый толщиной стыковочных стенок. Указанный зазор обусловливает снижение коэффициента магнитной связи между обмотками и требует для бесконтактной передачи на подводный объект заданного значения электрической мощности создания в первичной обмотке увеличенного намагничивающего тока, что приводит к повышенному нагреву провода первичной обмотки.

Первый недостаток известного устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект (прототипа) обусловлен тем, что при размещении первичной обмотки трансформатора в блоке инвертора происходит взаимный нагрев этой обмотки и тепловыделяющих элементов инвертора, а также затрудняется отвод и рассеивание тепла от обмотки в окружающую среду. Это обстоятельство вызывает необходимость ограничения передаваемой электрической мощности из условия допустимого нагрева провода обмотки, что приводит к уменьшению зарядного тока аккумулятора и, как следствие, увеличению времени зарядки аккумулятора. Размещение вторичной обмотки в блоке выпрямителя также затрудняет отвод и рассеивание выделяющегося в ней тепла в окружающую среду.

Второй недостаток прототипа определяется тем, что при стыковке контактных поверхностей блоков инвертора и выпрямителя под водой для осуществления процесса бесконтактной передачи электроэнергии по объективным причинам затруднен контроль над процессом указанной стыковки, вследствие чего контактные поверхности могут быть неплотно прижаты одна к другой, а обмотки трансформатора повышенной частоты могут оказаться не соосны. По этой причине коэффициент магнитной связи между обмотками трансформатора снижается, что также приводит к уменьшению передаваемой мощности от первичной к вторичной обмотке, сопровождается снижением значения вторичного тока трансформатора и соответственно увеличением времени заряда аккумуляторных батарей на подводном объекте.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача исключить указанные недостатки, т.е. уменьшить нагрев и увеличить токовую нагрузку на провод трансформатора, за счет чего повысить эффективность передачи электроэнергии на подводный объект и уменьшить время заряда его аккумуляторных батарей.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект, состоящем из трансформатора повышенной частоты с первичной и вторичной обмотками, блока инвертора, содержащем однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором и опускаемым под воду на глубину погружения подводного объекта, и размещенного на подводном объекте блока выпрямителя, который содержит однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель тока, сглаживающий реактор и выходной конденсатор, причем первый из выходных зажимов этого выпрямителя соединен с первым выходным зажимом устройства через сглаживающий реактор, а второй выходной зажим выпрямителя соединен со вторым выходным зажимом устройства непосредственно, к выходным зажимам устройства подключен также выходной конденсатор, при этом к входным зажимам указанного инвертора подключены входной конденсатор и концы кабеля, соединяющего этот инвертор с управляемым источником напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу, а к первому и второму выходным зажимам устройства подключены потребители электроэнергии подводного объекта, первичная и вторичная обмотки трансформатора повышенной частоты снабжены магнитными экранами, выполненными из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью и по одному прилегающими к торцам первичной и вторичной обмоток трансформатора, при этом первичная обмотка трансформатора подсоединена к выходным зажимам инвертора, а вторичная обмотка этого трансформатора подсоединена к входным зажимам выпрямителя, дополнительно введены первый и второй корпуса для размещения в них первичной и вторичной обмоток трансформатора отдельно вне блоков инвертора и выпрямителя, корпус первичной обмотки трансформатора допускает опускание его на глубину погружения подводного объекта, а вторичная обмотка трансформатора в своем корпусе размещена на подводном объекте, указанные корпуса имеют стыковочные стенки из изоляционного материала, плоские контактные поверхности которых при передаче электрической энергии на подводный объект плотно прилегают одна к другой, а ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают в корпусе первичной обмотки торец первичной обмотки трансформатора повышенной частоты, а в корпусе вторичной обмотки - торец вторичной обмотки этого трансформатора, при передаче электрической энергии корпуса расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось, а стенки корпусов первичной и вторичной обмоток, противоположные стыковочным стенкам этих корпусов, за соответствующими магнитными экранами, плотно прилегающие к этим магнитным экранам, выполнены из теплопроводящего материала с развитой теплоотводящей поверхностью.

Поставленная задача достигается также тем, что корпуса первичной и вторичной обмоток трансформатора закреплены на несущих конструкциях посредством самоцентрующихся стыковочных узлов.

В заявленном устройстве для бесконтактной передачи электрической энергии на подводный объект общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- трансформатор повышенной частоты с первичной и вторичной обмотками, содержащими магнитные экраны;

- блок инвертора и блок выпрямителя;

- блок инвертора содержит однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором и допускает опускание его под воду на глубину погружения подводного объекта;

- к входным зажимам инвертора подключены входной конденсатор и концы кабеля, соединяющие инвертор с управляемым источником напряжения постоянного тока;

- к выходным зажимам инвертора подключена первичная обмотка трансформатора повышенной частоты;

- блок выпрямителя размещен на подводном объекте и содержит однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель тока, сглаживающий реактор и выходной конденсатор;

- к входным зажимам выпрямителя подключена вторичная обмотка трансформатора повышенной частоты;

- первый из выходных зажимов выпрямителя соединен с первым выходным зажимом устройства через сглаживающий реактор, а второй выходной зажим выпрямителя соединен со вторым выходным зажимом устройства непосредственно, к выходным зажимам устройства подключен также выходной конденсатор;

- торцы первичной и вторичной обмоток трансформатора прилегают к плоским стыковочным стенкам, контактные поверхности которых прилегают друг к другу в режиме бесконтактной передачи электроэнергии;

- ко вторым, противоположным первым, торцам обмоток плотно прилегают магнитные экраны в виде чашечных магнитопроводов;

- в режиме бесконтактной передачи электроэнергии магнитные экраны образуют для трансформатора магнитопровод броневого типа с немагнитным зазором.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- в устройство введены корпуса для размещения в них первичной и вторичной обмоток трансформатора отдельно вне блоков инвертора и выпрямителя;

- указанные корпуса имеют стыковочные стенки из изоляционного материала, плоские контактные поверхности которых при передаче электрической энергии на подводный объект плотно прилегают одна к другой, а ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают в корпусе первичной обмотки торец первичной обмотки трансформатора повышенной частоты, а в корпусе вторичной обмотки - торец вторичной обмотки этого трансформатора;

- при передаче электрической энергии указанные корпуса расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось, а стенки корпусов первичной и вторичной обмоток, противоположные стыковочным стенкам упомянутых корпусов (за соответствующими магнитными экранами, плотно прилегающие к этим магнитным экранам), выполнены из теплопроводящего материала с развитой теплоотводящей поверхностью;

- корпуса первичной и вторичной обмоток трансформатора закреплены на несущих конструкциях посредством самоцентрующихся стыковочных узлов.

Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи для достижения требуемого технического результата.

Признаки: «… в устройство введены корпуса для размещения в них первичной и вторичной обмоток трансформатора отдельно вне блоков инвертора и выпрямителя, … при передаче электрической энергии корпуса расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось, а стенки корпусов первичной и вторичной обмоток, противоположные стыковочным стенкам этих корпусов, за соответствующими магнитными экранами, плотно прилегающие к магнитным экранам, выполнены из теплопроводящего материала с развитой теплоотводящей поверхностью…» позволяют исключить взаимный нагрев обмоток и тепловыделяющих элементов инвертора и выпрямителя, а также увеличить отвод и рассеивание тепла от обмотки в окружающую среду. Эти условия делают возможным увеличение токовых нагрузок на провод обмоток трансформатора и на силовые элементы инвертора и выпрямителя, что позволяет увеличить зарядный ток и, как следствие, сократить время зарядки аккумуляторных батарей на подводном объекте.

Признак «…корпуса первичной и вторичной обмоток закреплены на несущих конструкциях посредством самоцентрующихся стыковочных узлов» способствует повышению точности достижения соосности обмоток и более плотному прижатию контактных поверхностей стыковочных стенок корпусов трансформатора повышенной частоты одна к другой, когда они совмещаются для осуществления процесса бесконтактной передачи электроэнергии. Это увеличивает коэффициент магнитной связи между обмотками трансформатора, что сопровождается увеличением передаваемой мощности, увеличением вторичного тока трансформатора и соответственно уменьшением времени зарядки аккумуляторных батарей на подводном объекте.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Указанные существенные признаки, отличающие заявленное устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивают достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект; на фиг. 2 - чертеж высокочастотного трансформатора.

Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии от управляемого источника 1 напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу, к потребителям 2 электроэнергии подводного объекта 3 состоит из блока 4 инвертора, соединенного с источником 1 кабелем 5 и расположенного на подводном объекте 3 блока 6 выпрямителя. В блоке 4 размещен однофазный автономный инвертор 7 напряжения повышенной частоты с блоком 8 управления этим инвертором. Входные зажимы 9 инвертора 7, к которым подключен входной конденсатор 10, соединены с выходными зажимами 11 управляемого источника 1 напряжения постоянного тока через кабель 5. Выходные зажимы инвертора 7 подключены к зажимам 12 первичной обмотки 13 трансформатора 14 повышенной частоты. Первичная обмотка 13 трансформатора 14 снабжена магнитным экраном 15, выполняющим вместе с магнитным экраном 16 вторичной обмотки 17 трансформатора 14 функцию имеющего немагнитные зазоры магнитопровода броневого типа этого трансформатора. Однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель 18, сглаживающий реактор 19 и выходной конденсатор 20 размещены в блоке 6 выпрямителя. Снабженные магнитными экранами 15 и 16 обмотки 13 и 17 образуют трансформатор 14 повышенной частоты, когда оси обмоток совпадают, а торцы обмоток находятся на малом расстоянии друг от друга, как показано на фиг. 2. Магнитные экраны 15 и 16 обеспечивают увеличение взаимной индуктивности M между обмотками 13 и 17. Выходные зажимы 21 вторичной обмотки 17 подключены к входным зажимам выпрямителя 18. Один из выходных зажимов 22 выпрямителя 18 подключен к первому из выходных зажимов 23 устройства через сглаживающий реактор 19. Второй из выходных зажимов 22 выпрямителя 18 подключен ко второму из выходных зажимов 23 непосредственно. С выходными зажимами 23 устройства соединены потребители 2 подводного объекта 3. Магнитные экраны и обмотки высокочастотного трансформатора 14 размещены в отдельных корпусах: первичная обмотка 13 и магнитный экран 15 - в корпусе 24, а вторичная обмотка 17 с магнитным экраном 16 - в корпусе 25.

На фиг. 2 дан разрез трансформатора повышенной частоты, который имеет разъединяющиеся первичную и вторичную части. Первичная часть трансформатора повышенной частоты содержит первичную обмотку 13 с магнитопроводом 15, размещенную в корпусе 24. Вторичная часть этого трансформатора содержит вторичную обмотку 17 с магнитопроводом 16, заключенные в корпус 25. Контактные поверхности плоских стыковочных стенок корпусов 24 и 25 прижаты друг к другу, как показано на фиг. 2. Ко вторым, противоположным первым, поверхностям этих стенок плотно прилегают в блоке 24 первый торец первичной обмотки 13 трансформатора и в блоке 25 первый торец вторичной обмотки 17 трансформатора. Магнитные экраны 15 и 16, выполненные из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью, прижаты ко вторым торцам первичной 13 и вторичной 17 обмоток и охватывают указанные обмотки так, что образуется магнитопровод трансформатора с некоторым немагнитным зазором, минимальное значение которого определяется толщиной плоских стыковочных стенок корпусов трансформатора. Стенки 26 и 27 корпусов блока 24 первичной и блока 25 вторичной частей трансформатора, расположенные за магнитным экраном и противоположные плоским стыковочным стенкам, выполнены из теплопроводящего материала с развитой теплоотводящей поверхностью.

С помощью самоцентрующихся стыковочных узлов 28 и 29, связывающих корпуса первичной 24 и вторичной 25 частей трансформатора с несущими конструкциями 30 и 31 соответственно, обеспечивается плотное прижатие контактных поверхностей плоских стыковочных стенок указанных корпусов и соосность первичной 13 и вторичной 17 обмоток трансформатора.

Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект работает следующим образом.

При включении управляемого источника 1 напряжение с его выходных зажимов 11 через кабель 5 поступает на входные зажимы 9 инвертора 7, к которым подключен также сглаживающий конденсатор 10. Алгоритм работы управляемого источника 1 обеспечивает заряд конденсатора 10 с ограничением тока заряда допустимым значением. В режиме автозапуска на выходных зажимах 12 инвертора появляется переменное напряжение высокой частоты, параметры которого определяются настройками блока управления 8 инвертором. Под действием этого напряжения в первичной обмотке 15 трансформатора возникает переменный ток. В режиме передачи электроэнергии производится стыковка контактных поверхностей корпусов 24 и 25 первичной и вторичной частей трансформатора. Благодаря магнитной связи между первичной и вторичной обмотками магнитный поток, вызванный переменным током высокой частоты первичной обмотки, индуцирует переменное напряжение той же частоты во вторичной обмотке. Под действием этого напряжения в нагрузке 2 возникает постоянный ток, который получается из тока вторичной обмотки 17 трансформатора после его выпрямления в блоке выпрямителя 18 и уменьшения пульсаций выпрямленного тока сглаживающим реактором 19 и выходным конденсатором 20.

Поскольку трансформатор 14 имеет конструктивный немагнитный зазор (минимальное значение этого зазора равно удвоенной толщине плоских стыковочных стенок) и соответственно пониженный коэффициент магнитной связи между первичной и вторичной обмотками, то это приводит к необходимости создавать увеличенный ток первичной обмотки трансформатора для получения требуемого значения зарядного тока аккумуляторов подводного объекта. Выполнение первичной обмотки в отдельном корпусе вне инвертора исключает взаимный нагрев тепловыделяющих элементов инвертора и первичной обмотки трансформатора, что совместно с наличием стенки корпуса 24 первичной обмотки из теплопередающего материала с развитой теплоотводящей поверхностью способствует хорошему охлаждению первичной обмотки 13 и позволяет создавать увеличенные токовые нагрузки на ее провод. Увеличенный ток первичной обмотки позволяет создавать увеличенный ток вторичной обмотки, что приводит к повышению зарядного тока аккумуляторных батарей подводного объекта и сокращению времени их заряда.

С помощью самоцентрующихся стыковочных узлов 28 и 29, связывающих корпуса первичной 24 и вторичной 25 частей трансформатора с несущими конструкциями 30 и 31 соответственно, обеспечивается плотное прижатие контактных поверхностей плоских стыковочных стенок указанных корпусов и соосность первичной 13 и вторичной 17 обмоток трансформатора. Вследствие этого между обмотками 13 и 17 достигается максимальный коэффициент магнитной связи и максимальный возможный ток во вторичной обмотке без увеличения намагничивающего тока в первичной обмотке, что также способствует повышению зарядного тока и уменьшению времени зарядки аккумуляторных батарей.